第二章 离心式压气机的原理与设计
离心式涡轮喷气发动机名词解释
离心式涡轮喷气发动机名词解释一、离心式涡轮喷气发动机离心式涡轮喷气发动机，是一种利用涡轮来压缩空气并驱动飞机飞行的发动机。
它由多个部件组成，包括压气机、燃烧室、涡轮和喷气管道等。
它的工作原理是先通过压气机将空气压缩，然后将压缩空气与燃料混合并点燃，最终高温高压的燃气推动涡轮旋转，再通过喷气管道将高速喷出的气流产生推力，从而推动飞机飞行。
二、工作原理1. 压气机离心式涡轮喷气发动机的压气机采用离心式结构，由多个叶片和转子组成，当空气经过叶片时，叶片会将空气加速并压缩，形成高压气体。
这种结构可以有效地提高发动机的效率和压缩比，使得空气可以被更充分地压缩和加燃烧，从而提高发动机的性能和推力输出。
2. 燃烧室离心式涡轮喷气发动机的燃烧室是混合燃油和压缩空气的地方，通过点火装置点燃混合气体，产生高温高压的燃气，为涡轮提供动力。
3. 涡轮涡轮是离心式涡轮喷气发动机的核心部件之一，它由转子和定子组成，当高温高压的燃气流过涡轮时，会使得涡轮高速旋转，提供动力来驱动压气机。
4. 喷气管道喷气管道是离心式涡轮喷气发动机中最后的部件，它将高速喷射的气流转化为推动飞机飞行的推力，从而实现飞机的动力。
三、我的个人观点和理解离心式涡轮喷气发动机作为现代飞机的主要动力装置，其优点在于结构简单、可靠性高、推力大、燃料经济性好等特点，是目前最为应用广泛的发动机类型之一。
在未来，随着科技的发展和航空工业的进步，离心式涡轮喷气发动机也将不断得到改进和完善，成为更为高效、环保、节能的动力装置。
总结回顾：在本文中，我们对离心式涡轮喷气发动机进行了深入的解释和分析，从工作原理到结构构成，都进行了详细的阐述。
通过对离心式涡轮喷气发动机的解释，相信读者对其工作原理和关键部件有了更深入的了解。
希望本文能够帮助读者更好地理解离心式涡轮喷气发动机，对其性能和特点有更为深刻的理解，也对未来航空工业的发展有所启发和思考。
离心式涡轮喷气发动机是航空工业中非常重要的一部分，它的发展历程和技术创新都对飞机的性能和效率有着重大影响。
离心式压气机的原理与设计
内燃机增压技术第二章离心式压气机的原理与设计(1)魏名山第二章离心式压气机的原理与设计(1)z概述z压气机的热力学过程z空气在进口段中的流动z空气在叶轮内的流动z空气在叶轮中流动时的损失概述---压气机的作用与要求z压气机的作用是预先压缩进入气缸的空气，以提高进入气缸的气体密度。
z增压器要求压气机的尺寸小，尺寸小才能保证便于安装；重量轻，重量轻可以减少发动机总重，转子重量轻还可以提高增压器的响应速度，改善发动机的加速性；效率高，压气机效率高可以改善发动机的燃油耗；特性的可工作范围广，这是车用增压器对压气机最为重要的要求之一，因为车用发动机的工况变化频繁，且变化范围大，只有压气机的可工作范围广，才能保证增压器和发动机的良好匹配。
概述---压气机的构造(1)z压气机级由进口、工作叶轮、扩压器、集气器（涡壳）四部分组成概述---压气机的构造(2)z压气机进口段总是设计成圆柱形或者圆锥收缩段。
概述---压气机的构造(3)z进口段的作用是引导气流更好地进入工作叶轮，以减少进口处的流动损失和扰流强度。
概述---压气机的构造(4)z有的压气机进口还带有回流装置以扩大流量范围。
z左图为HOLSET增压器。
概述---压气机的构造(5)z工作叶轮由轮盘及其上的叶片组成。
用螺母将其紧固在涡轮轴上。
气流沿着轮盘、外壳和叶片组成的通道流动。
并在这一过程中，将从旋转叶轮吸收的机械功转变为压力(势能)及速度(动能)。
工作叶轮是压气机最主要的零件，它的好坏对级的特性起了决定性的影响。
对它的要求主要是，效率要高；强度要好，因为只有叶轮强度好，压气机才能达到较高的压缩压力。
概述---压气机的构造(6)z扩压器，空气从工作轮出来后，具有很高的气流速度，也即具有很大的动能。
这部分动能约占叶轮加功量的25%-50%。
因此，为有效地利用这一部分的能量，必须把这部分的动能转变为压力能，以达到提高空气压力的目的。
为此，在叶轮后装有扩压器，把气流的动能转变成压力能。
压气机的原理和特性
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主要气动参数
进出气角β1和β2 进口冲角
进出气角：气流进、出口相对流速与叶栅前、 进口冲角：叶栅的入口安装角与气流进气 后额线的夹角。 角之差。
i =β1j-β1
出口落后角 δ=β1j-β1 气流转折角 Δβ=β2-β1
气流转折角：气流出气角与进气角之差。
出口落后角：叶栅的出口安装角与气流出气角之差。
压气机的流量特性线：
通过实验测定并作出的压气机流量特性曲线。
压气机的特性线组：
不同转速下的压气机特性线绘在一起，所得到的曲线 组，称为压气机的特性线组。
2.单级轴流式压气机的特性线
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特点
①每一转速下的压比均有一最大值 （最大压比点：左、右两支）； ②压气机的喘振 ——转速不变，流量降低到一定值 后，压气机内的气流轴向脉动引起 的整台机器的剧烈振动。 喘振边界点：压比不稳定无法 绘出时对应的流量点。 喘振边界线：各转速下喘振工 况点的连线。
入口安装角和出口安装角 ：叶型中弧线在前缘点和后 14 缘点的切线与叶栅前、后额线的夹角。
叶栅的几何参数
叶栅前后额线
叶型安装角γp 栅距t 入口安装角β1j 出口安装角β2j
叶栅前后额线：叶型前、后缘点的连线。
栅距t ：两个相邻叶型上同位点在圆周方向上的距离。 叶型安装角γp ：外弦线与圆周方向的夹角。
2.压气机的喘振
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压气机喘振的特征
压气机的流量时增时减； 压力忽高忽低； 整个机组剧烈振动并伴随特有轰鸣声。
压气机喘振的原因
内因（根本原因和必要条件）—— 压气机失速； 外因—— 压气机下游存在容积较大的管网部件。
离心式压气机2
4.1.2 空气在离心式压气机中的流动
空气在导流器中的流动
单面进气的离心式压气机叶轮的进口直接与进气道 的出口相接 双面进气离心式压气机的进气装置一般由预旋片和 分气盆构成
预旋片的作用在于造成工作轮进口有一定规律的气流切 向速度分布 分气盆的作用则在于将经过预旋片的空气分为数层,以便 将空气较均匀地充满工作轮叶片的进口 进气装置中的流道做成略有收敛,使空气经过它后,速度略 有增大，以减少流动损失
第四章 压气机
主要内容
第4.1节 离心式压气机 第4.2节 轴流式压气机
4.2.1 轴流式压气机的组成 4.2.2 基元级的工作原理 4.2.3 轴流式压气机的叶栅特性 4.2.4 轴流式压气机级的工作原理 4.2.5 多级轴流式压气机 4.2.6 轴流式压气机的参数 4.2.7 压气机的流量特性 4.2.8 压气机的喘振
空气在扩压器中的流动
空气离开工作叶轮时,相对速度并不高,而绝对速度 还是很高的,一般相应的马赫数为1.1∽1.2。因此要 有扩压器使空气的静压进一步提高。 离心式压气机的扩压器一般由缝隙扩压器和叶片扩 压器两部分组成。
从工作轮出口截面2-2至截面 2’-2‘,为一环形缝隙
通过环形缝隙,合速度下降了, 从而达到了增压的目的 超音速气流经过环形缝隙后, 可降为亚音速,而后进入叶片 扩压器。
落后角δ的存在,使得工作叶 轮出口的绝对速度的切向分 速V2u小于出口的轮缘速度u2
图4-7工作轮出口速度三角形
本页面不作要求
“功率系数”或称“滑动因子”
V2u u2
离心式压气机的原理与设计(2)
叶轮效率与流体效率
---叶轮效率(1) ---叶轮效率(1) 叶轮效率
* H2 η2 = We
k H = R T2* − T1* k −1
* 2
(
)
叶轮效率η2的定 义：叶轮内气体 的总焓升H2*与叶 轮的有效功We之 比。叶轮效率表 征叶轮工作的完 善程度。
10
叶轮效率与流体效率
---叶轮效率(2) ---叶轮效率(2) 叶轮效率 图3-19表示在不同的a1/t1条件 下，叶轮效率η2与ca1’及u2’的 试验曲线。a1，表示叶轮进口 处两叶片之间最小截面(喉部) 的宽度；t1，表示叶轮进口处 叶片间的节距。 图中u2为叶轮圆周的比速度， a1/t1为喉口宽度与节距之比。 由图可以看出，当ca1=0.250.35时，η2最高；a1/t1的值 越小则η2也越高。
n2 n2 −1
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叶轮出口空气状态参数的确定(3) 叶轮出口空气状态参数的确定
空气在叶轮任一通道上的流动都不可能是均态的。因 此计算所得数值是空气的平均参数值。 叶轮叶片的出口宽度b由流量方程确定，且应考虑到 叶片实际厚度对流道有效面积的堵塞影响。
M cτ 1 b2 = γ 2πD2 ca1τ 2
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叶轮出口空气状态参数的确定(2) 叶轮出口空气状态参数的确定
在较为精确的计算中，可以令 Qin = 0.5WId
2 µ 2 u2 可得： T2 = T1 + µ + 0.5α − k 2 R k −1
叶轮出口处的压力，可按多变方程计算：
T2 p2 = p1 T 1
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叶轮效率与流体效率
---流体效率 ---流体效率
Wad Wad ηh = = 2 Wad max u2
离心压气机理论-第一部分-2010
离心压气机基本理论
离心压气机叶轮可分为带叶冠叶轮和不带叶冠叶轮两种两种， 前者又叫闭式叶轮，后者又叫开式叶轮。图2和图3给出了这两 种叶轮形式。
图2 不带叶冠叶轮
图3 带叶冠叶轮
离心压气机基本理论
燃气轮机和涡轮增压器由于转速很高，通常使用开式叶轮。因 为增加叶冠会增加叶轮质量，使转子惯性增加，从而导致整机 性能恶化。
5级轴流+1级离心 5.30
3级轴流+1级离心 5.73
1级离心
1.60
2级离心
3.2-3.4
4级轴流+1级离心 4.2
2级离心
4.0
总增压比 17.00 14.72 8.0-8.30 13.14 14.38 15.00
为什么采用离心压气机？ 因为单级压比大，由于流量小，可以保证出口端压气机末级叶 片高度在合适的范围内，不会过小。
离心压气机概述
涡轮增压器是径流式叶轮机械应用的最为广泛的一个领域。 如果说燃气轮机是改进叶轮机械设计和制造技术的驱动力，那 么涡轮增压技术和涡轮增压器的广泛使用为径流式叶轮机械的 发展提供了广阔的市场。
废气涡轮增压的设想首先由瑞士人波希在1905年提出，当时获 得了德国和美国的专利。 1911年波希在单缸机上首次完成涡轮增压的台架试验。 1925年，波希又提出了脉冲增压的设想。 到1940年代，涡轮增压在船用和陆用大型发动机上得到了大量 推广使用。 直到1950年，涡轮增压器才在大型柴油机上得到广泛使用。
16 PWC
14
Байду номын сангаас
PWC
12
10
PWC&Boeing
PWC209
&319
第二章压气机
2.5 工作叶片
31
2.5 工作叶片
32
2.6 榫头
工作叶片通过榫头实现与轮盘的联接。因此，对榫的主 要设计要求是： 1)在尺寸小，重量轻的条件下，将叶身所受的负荷可 靠地传递给轮盘； 2)保证工作时片的准确定位和可靠固定； 3)应有足够的强度、适宜的刚性及合理的受力状态， 尽量避免应力集中 4)结构简单、装拆方便。 目前铀流式压气机转子叶片榫头形式有三种: A）燕尾式 B）销钉式 C)枞树式
6
2.2轴流式压气机
轴流式压气机转子 转子是一个高速旋转对气流做功的组合件。在双转子涡 喷发动机中，压气机又分为低压转子和高压转子；在双转子 涡扇发动机中．低压转子就是风扇转子．或者是风扇转子和 低压压气机转子的组合。压气机转子一船是简支的，也有些 是悬臂 轴流式压气机静子
静子是静子组合件的总称，包括机匣和整流器。在单 转子涡喷发动机中，压气机机匣由进气装置、整流器机匣 和扩压器机匣组成。在双转子压气机中，在风扇和压气机 之间还有一个分流机匣，将内、外涵道的气流分开；在高、 低压压气机之间有一个中介机匣，将气流由低压压气机顺 利引入高压压气机。
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2.3 轴流式压气机转子的基本结构
加强的盘式转子
14
2.3 轴流式压气机转子的基本结构
鼓盘式转子由若干个轮盘，鼓简和前、后半轴组成。 盘缘有不同形式的榫槽用来安装转子叶片。级间联接可采 用焊接、径向销钉、轴向螺栓或拉杆。转子叶片、轮盘和 鼓简的离心力由轮盘和鼓筒共同承受．扭矩经鼓筒逐级传 给轮盘和转子叶片，转子的横向刚性由鼓筒和连接件保证。
37
2.6 榫头
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2.6 榫头
槽向固定的方式很多，通常采用卡圈、锁片、档销等锁紧 方式或复合方式，也可利用其他结构件固定，如封严环、径向 销钉等。要根据具体结构和槽向力的大小来选择固定方式。
压气机
喘振机理 通过压气机的气流反复堵塞又畅通，使的通过压气机的流量大、流速高、
可压缩的空气在本身惯量和压气机给予的巨大能量作用下产生了周期行的震荡。
3、 压气机防喘系统
防喘措施： 1、放气机构 2、旋转一级或数级导流叶片 3、机匣处理 4、采用双轴或三轴结构
防喘措施
1、放气机构——从压气机某一个或数个中间截面放气
• 两面进气,这样可以增大进气量 • 对于平衡作用在轴承上的轴向力也有好处
一、 离心式压气机的组成
工作叶轮
一、离心式压气机的组成
• 3、扩压器
• 位于叶轮的出口处 • 其通道是扩张形的 • 空气在流过它时, 速度下降, 压力和温度都上升
• 密封装置分类
• 接触式：涨圈式密封 • 非接触式：
• 篦齿封严 • 蜂窝封严 • 石墨＋篦齿 • 刷式封严
1、 封气装置
1 、 封气装置
各种不同的典型密封装置
1. 封 气 装 置
1. 封 气 装 置
各种不同的典型密封装置
• 蜂窝封严和刷式封严
2 、 间隙控制装置
• 目的：减少叶尖漏气，进一步提高发动机的性能和效率。
• 使气流拐弯并以一定方向均匀进入工作叶轮, 以减小流动损失 • 此过程中气流加速，防止出现拐弯分离流
• 气流参数变化
• 空气在流过它时速度增大,而压力和温度下降
一、 离心式压气机的组成
2、工作叶轮
• 高速旋转的部件 • 工作叶轮上叶片间的通道是扩张形的 • 空气在流过它时, 对空气作功, 加速空气的流速, 同时提高空气的压力 • 从结构上叶轮分单面叶轮和双面叶轮两种
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4、双转子或三转子压气机
为了解决压气机增压比和风扇转速的矛盾，人们很自然的想到了三转 子结构。所谓三转子就是在双转子发动机上又多了一级风扇转子。这样， 风扇、低压压气机和高压压气机都自成一个转子，各自都有各自的转速。 因此，设计师们就可以相对自由地设计发动机风扇转速、风扇直径以及涵 道比。而低压压气机的转速也就可以不再受风扇的掣肘。
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内燃机增压技术
第二章离心式压气机的原理与设计(３)
魏名山
第二章离心式压气机的原理与设计(３)
z集气器（涡壳）
z离心式压气机计算示例
z压气机特性
集气器---形状(2)
集气器---形状(3)
z涡壳截面的形状可以有很多种，以梨形的损失最小，但各种形状相差不大，所以在设计时更多地是考虑尺寸上的小型化。
近年来逐渐多采用的鸭蛋形截面涡壳能得到最小的外形尺寸。
集气器---流道计算(4)
z将某一个确定的R H值代入上式，就可以求出一个对应的φ值。
如此变更不同的R
值，就
H
可得到相应的不同的φ值。
将一系列φ值与它对应的R
值制成表格或曲线后，再反过来由
H
表格或曲线用插值法，求出各所需的指定整数φ值及对应的R值。
离心式压气机计算示例---命题z 试为6150柴油机设计一台废气涡轮增压器。
增压前发动机的功率N e =184kW ，转速为2000RPM ，比油耗g e 为250g/kWh ，机械效率ηM =0.75。
增压后功率要求提高100%，环境压力P 0=98066.5Pa ，环境温度T 0=303K 。
离心式压气机计算示例---某些系数的选取z
选定发动机的充气系数z
过量空气系数z 扫气系数05
.17.19.0===H H v H ϕαη
离心式压气机计算示例---功率z 增压后发动机的功率N eH
kW
368%)1001(=+=e e N N H
离心式压气机计算示例(1)
z压气机具体的结构尺寸，可按照王延生、黄佑生著《车辆发动机废气涡轮增压》或朱大鑫著《涡轮增压与涡轮增压器》上所列的表格进行计算。
z其基本思路为：
根据前述发动机计算，算出压比、流量后，按经验值假设压气机叶轮的出口直径，和压气机的绝热效率。
同时对计算过程中所涉及到的一些系数如各处的流动损失系数设值。
离心式压气机计算示例(2)
z根据压比算出压气机绝热功，根据压气机绝热功和压头系数算出叶轮出口圆周速度，然后算出叶轮旋转速度。
z根据流量算进口面积和进口直径。
z然后根据前述的计算公式，从进口开始算到出口。
z可以算出压比、压气机效率和压头系数。
比较这些值和设定值，如果差距比较大，则改变初始值重新计算，直至设定值和计算值一致为止。
离心式压气机计算示例(3)
z可以将这些公式输入到EXCEL表格中。
压气机特性---定义
z压气机特性：以转速为参变量，压气机的压比和效率随流量变化的关系，称之为压气机特性。
利用压气机的流量特性曲线，就可以判断压气机本身的性能是否优越及其工作范围的大小，还可利用它与发动机的耗气特性相配合，来检验压气机与发动机的匹配是否合理。
压气机特性---形状(1)
z左图为TB28(国内型号JB28)
涡轮增压器的压气机流量特
性曲线。
该增压器主要用于
70kW至100kW之间的小型
车用柴油机。
如云内动力的
4100QBZ，4102QBZ等柴油
机。
横坐标流量，纵坐标压
比，参变量转速，纵向曲线
为等效率线。
压气机特性---形状(2)
z联信公司(Allied Signal)，现
更名霍尼韦尔(Honeywell)公
司，GT15V增压器压气机特
性曲线。
Audi A6有一款车就
使用该增压器。
压气机特性---形状(3)
z左图体现了压气机特性曲线
的画法。
先根据实验数据，
分别画出效率-流量图和压
比-流量图，然后将两图如
左所示排列，在效率图上作
和横轴平行的线，将其和效
率线的交点投影到压比图上，
就可以在压比-流量图上作
出等效率圈，从而完成压气
机特性曲线的绘制。
压气机特性---工作范围(1)
z以压气机转速为参变量的每一条等转速线上，都有最小的允许工作流量的极限值，称为喘振点。
在喘振点上及小于喘振点的流量时，压气机中的气流产生强烈振荡，叶片振动，并伴有很大的噪音。
因此无法正常工作。
将不同等转速线上的喘振点相连，就成为喘振线。
每一条等速线都有最大的流量极限，大于流量极限值的范围称为阻塞区。
压气机在接近阻塞区工作时，其绝热效率急剧下降，故一般使压气机工作于绝热效率大于60%以上的流量范围之内。
压气机特性---工作范围(2)
z压气机不能在流量低于或接近于喘振线时工作，也不能在阻塞区及绝热效率低于60%处长期运转。
将阻塞区附近且绝热效率大于等于60%的流量称为最大流量，将喘振点的流量称为最小流量，两
者之比值Q
max /Q
min
越大，压气机可以正常工作的
范围越大，就越符合车用增压器的要求。
压气机特性---喘振(1)
z喘振时，流经压气机的气流出现强烈的振动，在进口处出现气体逆流现象，在出口处气流压力出现强烈脉动，强烈喘振极易引起叶片或轴承损坏。
压气机特性---喘振(2)
z当进入压气机的空气流量
偏离设计状态时，在叶轮
的进口边缘就会产生气体
的分离现象。
图a表示设计
流量值，图b表示流量较大
时，这时候在叶片凹面产
生分离，但由于叶片的运
动趋势抑制了分离所产生
的涡流进一步发展，所以
气流的分离只局限于进口
边缘。
压气机特性---喘振(3)
z图c所示为流量较小时的
情况，在叶轮进口处叶
片非工作面(叶背)部分
产生分离。
此时，一方
面气流由于在叶背部分
加速流动，压力降低，
另一方面由于气流的惯
性使得它有离开叶背的
倾向，因而涡流迅速扩
展到压气机的其它部分。
压气机特性---喘振(4)
z对于具有叶片式扩压器的涡轮增压器来说，在扩压器处也会产生喘振，所不同的是，由于气流有按照对数螺旋线运动的趋势，所以会在叶凹处产生分离，而不是在叶背处。
相同点是都在小流量时产生喘振。
压气机特性---分析(1)
z一条等转速的压气机特性线，
其形状为中间最高，两端曲
线向下，即在某一流量时，
压比和绝热效率为最大值。
z在理想条件下，如果压气机
转速不变，有效功完全用来
压缩空气，提高压比，此时
压气机的压比与流量无关，
等转速的特性线是一条水平
线，如左所示a-a。
压气机特性---分析(2)
z在实际过程中，必然有一部分功
用来克服摩擦损失和撞击损失等。
摩擦损失随着流量的增大而增大，
计及摩擦损失的压比线如左上图
b-B-b所示。
对于撞击损失而言，
在设计点，压气机进口处气流方
向与叶片前缘的安装角方向基本
重合，几乎在无撞击情况下流入
叶片。
而在非设计状态下，撞击
损失增大。
再计及撞击损失后的
压比线如左上图A-B-c所示。